一种高位岩质滑坡稳定性动态数值评价方法与流程

本发明涉及岩质滑坡及边坡工程领域，尤其是涉及一种高位岩质滑坡稳定性动态数值评价方法。

背景技术：

高位岩质滑坡具有灾害识别难度大、孕育的隐蔽性和爆发的突然性极强、成灾模式奇特、危害性极大和防灾减灾难度大的特点。近十年来，随着极端强降雨等天气的重现期缩短，高位岩质滑坡造成的特大灾害在我国呈逐渐增加的趋势，在我国，2017年6月24日茂县新磨村滑坡、2016年9月28日遂昌苏村滑坡、2013年7月10日都江堰五里坡滑坡、2010年7月27日二蛮山滑坡、2010年6月28日关岭大寨滑坡、2009年6月5日武隆鸡尾山滑坡等高位岩质滑坡事故，都造成了大量的人员伤亡和巨大的财产损失。

由于高位岩质滑坡岩土体介质的多样性和复杂性，斜坡上植被情况、滑坡体浅表层土体类型和厚度，滑体中岩体类型及岩体中结构面和裂隙的发育情况、张开度和填充情况，以及软弱结构面或软弱夹层土体类型、孔隙率、含水量、厚度和空间分布排列存在很大的差异，斜坡中岩土体的物理力学性质、渗透和流变特性也会出现显著的差异，这就导致实际工程中难以确定滑坡的稳定性。

为此，国内外学者进行了大量相关的研究工作：一方面是对岩质边坡稳定性的研究，包括采用随机结构面的有限元和离散元耦合方法、基于断裂力学和界面单元的弹塑性有限元或有限差分强度折减法研究节理化岩质边坡稳定性；采用流固耦合的DDA法研究裂隙渗流对岩石边坡稳定的影响；采用基于西原蠕变模型的有限差分法动态评价软岩边坡稳定性；建立节理岩体等效流变损伤模型评价卸载边坡稳定性；采用离散元和Burgers蠕变模型研究硅质粘土岩顺向边坡的变形和破坏；建立二维流固耦合渗流模型分析不同降雨条件下泥岩夹层碎屑岩边坡稳定性；

另一方面则是运用关键块体控制理论、断裂力学和流体力学理论，结合条分法、工程地质力学法、推力传递系数法、地表变形迹象与结构面地质力学综合分析方法，采用了赤平投影法、楔体矢量分析法、基于“软基效应”解析法、刚体极限平衡法、抗力体分解法、离散元法、有限差分法、有限元法和一维拟动力粘塑性方法等评价高位岩质滑坡的稳定性。

然而，目前的研究很少涉及到动态评价高位岩质滑坡的稳定性，缺少对滑坡的多物理场耦合分析，无法保证对高位岩质滑坡稳定性评价的准确性。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种高位岩质滑坡稳定性动态数值评价方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高位岩质滑坡稳定性动态数值评价方法，包括以下步骤：

S1、通过土体非饱和/饱和土渗透试验，获取渗透系数和吸力计算参数，建立土体气-液-固多场耦合子模型；

S2、通过土体非饱和/饱和土三轴流变试验，运用非饱和土力学、饱和-非饱和土的普遍有效应力理论、岩土力学的流变原理、流变损伤力学和多场耦合理论，建立土体气-液-固多场耦合的粘弹塑性模型；

S3、根据土体气-液-固多场耦合子模型和粘弹塑性模型，建立非线性变损伤力学模型；

S4、将土体气-液-固多场耦合子模型、粘弹塑性模型和非线性变损伤力学模型嵌入ABAQUS有限元与离散元耦合数值分析平台，建立气-液-固-流变损伤多场耦合模型；

S5、基于气-液-固-流变损伤多场耦合模型，获取滑坡最大位移，采用流固耦合数值流形元法和三维粘弹塑性有限元强度折减法，计算流固耦合作用下的高位岩质滑坡安全系数；

S6、动态评价高位岩质滑坡稳定性：根据滑坡最大位移以及滑坡安全系数判断该高位岩质滑坡是否安全，根据安全和不安全的结果数量判断高位岩质滑坡是否稳定，其中，若滑坡最大位移小于或等于第一预设阈值，且滑坡安全系数大于或等于第二预设阈值，判断该高位岩质滑坡为安全的，否则判断为不安全的；

若判断为安全的结果数量大于或等于判断为不安全的结果数量的M倍，则最终判断该高位岩质滑坡为稳定的，否则判断为不稳定的，其中，3≤M≤5。

优选的，所述步骤S1中建立土体气-液-固多场耦合子模型的具体过程为：

S11、通过高位岩质滑坡表层土和滑动带土体的非饱和/饱和土渗透试验获取渗透系数和吸力计算参数；

S12、依据岩土体的动量平衡方程、能量平衡方程以及连续介质力学的动量、质量和能量守恒定律，同时考虑水和气的相变、液体中的气体溶度、水分转移和膨胀，以固体位移、毛细压力、孔隙水压力、孔隙气压(干燥气压和蒸汽压力等)和孔隙率作为未知变量，建立土体的气场、渗流场、应力场和形变场的多场耦合数学模型。

优选的，所述步骤S2中粘弹塑性模型具体为考虑气场、渗流场、应力场和形变场多场耦合的粘性土或含碎石粘性土的粘弹塑性模型。

优选的，所述步骤S3中非线性变损伤力学模型中包含降雨强度、雨型、孔隙气压、土体含水量、渗透系数、基质吸力、抗剪强度和粘度变量参数。

优选的，所述步骤S4中气-液-固-流变损伤多场耦合模型具体为可变粘度的气-液-固-流变损伤多场耦合模型，所述可变粘度随剪切应力、含水率和时间的不同发生对应变化。

优选的，所述步骤S5中流固耦合数值流形元法考虑了降雨入渗、节理裂隙开度变化和裂纹扩展。

优选的，所述步骤S5具体包括以下步骤：

S51、通过所述步骤2的三轴流变试验，根据试验数据得到拟合常数E和η，以建立软弱夹层岩土体的流变模型：

式中，Δε^cr为蠕变增量，E为弹性模量，Δt为时间增量，η为粘滞系数，为应变速率，σ为剪应力，为应变速率对剪应力的偏导数，Δσ为剪应力增量。

S52、基于所述步骤S41的流变模型，采三维粘弹塑性有限元强度折减法，对抗剪强度指标C和进行强度折减计算，得到折减后的对应的虚拟抗剪强度指标CF和

CF＝C/FS

式中，C是岩土体的粘聚力，是岩土体的内摩擦角，FS为每时步的边坡岩土体抗剪强度指标C和的折减系数。

S53、以虚拟抗剪强度指标CF和取代抗剪强度指标C和由ABAQUS软件对每时步的虚拟抗剪强度指标CF和进行有限元稳定性计算，通过不断折减直至有限元稳定性计算不收敛，此时的折减系数FS即为滑坡安全系数。

优选的，所述步骤S51中剪应力和剪应力增量的数值是由有限元稳定性计算迭代确定的。

优选的，所述步骤S6具体包括以下步骤：

S61、在降雨及雨后的N天，以每T个小时进行一次安全性评价：若滑坡最大位移小于或等于第一预设阈值，且滑坡安全系数大于或等于第二预设阈值，判断该高位岩质滑坡为安全的，否则判断为不安全的，由此得到判断为安全的A个结果和判断为不安全的B个结果，其中，N＝5，T＝1；

S62、若A≥B*M，则判断该高位岩质滑坡为稳定的，否则判断该高位岩质滑坡为不稳定的，其中，M＝4。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过建立气-液-固-流变损伤多场耦合模型，结合动态的滑坡最大位移和滑坡安全系数，在降雨后进行高位岩质滑坡稳定性的动态评价，使本发明的评价结果更加准确且有效，为预测滑坡灾害的发生提供有力的数据参考。

二、本发明建立了可变粘度的气-液-固-流变损伤多场耦合模型，由于可变粘度随剪切应力、含水率和时间而发生变化，保证了多物理场耦合模型的可靠性。

三、本发明的多物理场耦合模型中包含融合了降雨强度、雨型、孔隙气压、土体含水量、渗透系数、基质吸力、抗剪强度和粘度等变量的非线性流变损伤模型，更加贴合高位岩质滑坡的实际情况，有利于降雨之后及时对滑坡稳定性进行评价。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为实施例的动态评价流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明受国家自然科学基金委员会-雅砻江流域水电开发有限公司雅砻江联合基金项目(U1765110)和中央高校基本科研业务费专项资金项目(22120180312)资助，如图1所示，一种高位岩质滑坡稳定性动态数值评价方法，包括以下步骤：

S1、通过土体非饱和/饱和土渗透试验，获取渗透系数和吸力计算参数，建立土体气-液-固多场耦合子模型；

S2、通过土体非饱和/饱和土三轴流变试验，运用非饱和土力学、饱和-非饱和土的普遍有效应力理论、岩土力学的流变原理、流变损伤力学和多场耦合理论，建立土体气-液-固多场耦合的粘弹塑性模型；

S3、根据土体气-液-固多场耦合子模型和粘弹塑性模型，建立非线性变损伤力学模型；

S4、将土体气-液-固多场耦合子模型、粘弹塑性模型和非线性变损伤力学模型嵌入ABAQUS有限元与离散元耦合数值分析平台，建立气-液-固-流变损伤多场耦合模型；

S5、基于气-液-固-流变损伤多场耦合模型，获取滑坡最大位移，采用流固耦合数值流形元法和三维粘弹塑性有限元强度折减法，计算流固耦合作用下的高位岩质滑坡安全系数；

S6、动态评价高位岩质滑坡稳定性：根据滑坡最大位移和滑坡安全系数判断该高位岩质滑坡是否安全，根据安全和不安全的结果数量判断高位岩质滑坡是否稳定，其中，若滑坡最大位移小于或等于第一预设阈值，且滑坡安全系数大于或等于第二预设阈值，判断该高位岩质滑坡为安全的，否则判断为不安全的；

若判断为安全的结果数量大于或等于判断为不安全的结果数量的M倍，则最终判断该高位岩质滑坡为稳定的，否则判断为不稳定的，其中，3≤M≤5。

其中，步骤S1包括：

S11、通过高位岩质滑坡表层土和滑动带土体的非饱和/饱和土渗透试验获取渗透系数和吸力计算参数；

S12、依据岩土体的动量平衡方程、能量平衡方程以及连续介质力学的动量、质量和能量守恒定律，同时考虑水和气的相变、液体中的气体溶度、水分转移和膨胀，以固体位移、毛细压力、孔隙水压力、孔隙气压(干燥气压和蒸汽压力等)和孔隙率作为未知变量，建立土体的气场、渗流场、应力场和形变场的多场耦合数学模型。

步骤S2包括：运用非饱和土力学、饱和-非饱和土的普遍有效应力理论、岩土力学的流变原理、流变损伤力学和多场耦合理论，建立考虑气场、渗流场、应力场和形变场多场耦合的粘性土或含碎石粘性土的粘弹塑性模型。

步骤S3包括：融合降雨强度、雨型、孔隙气压、土体含水量、渗透系数、基质吸力、抗剪强度和粘度变量的非线性流变损伤，建立非线性流变损伤力学模型。

步骤S4包括：在ABAQUS有限元与离散元耦合数值分析平台上嵌入步骤S1、步骤S2和步骤S3建立的模型，以建立可变粘度(粘度随剪切应力、含水率和时间变化)的气-液-固-流变损伤多场耦合模型。

步骤S5中流固耦合数值流形元法考虑了降雨入渗、节理裂隙开度变化和裂纹扩展。

步骤S5计算滑坡安全系数的具体过程为：

S51、通过所述步骤2的三轴流变试验，根据试验数据得到拟合常数E和η，以建立软弱夹层岩土体的流变模型：

式中，Δε^cr为蠕变增量，E为弹性模量，Δt为时间增量，η为粘滞系数，为应变速率，σ为剪应力，为应变速率对剪应力的偏导数，Δσ为剪应力增量，剪应力和剪应力增量的数值是由有限元稳定性计算迭代确定的，本实施例中，E＝2.36995GPa，η＝61.43937GPa·d。

S52、基于所述步骤S41的流变模型，采三维粘弹塑性有限元强度折减法，对抗剪强度指标C和进行强度折减计算，得到折减后的对应的虚拟抗剪强度指标CF和

CF＝C/FS

式中，C是岩土体的粘聚力，是岩土体的内摩擦角，FS为每时步的边坡岩土体抗剪强度指标C和的折减系数。

S53、以虚拟抗剪强度指标CF和取代抗剪强度指标C和由ABAQUS软件对每时步的虚拟抗剪强度指标CF和进行有限元稳定性计算，通过不断折减直至有限元稳定性计算不收敛，此时的折减系数FS即为滑坡安全系数。

步骤S6包括：依据步骤S4建立的气-液-固-流变损伤多场耦合模型和步骤S5获取的滑坡安全系数，对高位岩质滑坡稳定性进行动态评价。本实施中，在降雨及雨后5天，每隔1小时进行一次安全性评价，根据安全性评价结果进行滑坡稳定性判断，如图2所示，本实施例的具体动态评价过程为：

S61、在降雨及雨后5天，每隔1小时进行一次安全性评价：当滑坡最大位移≤0.3m且滑坡安全系数≥1.05时，判断滑坡为安全的，判断滑坡为不安全的，由此得到5*24＝120个评价结果，包括判断为安全的A个结果和判断为不安全的B个结果；

S62、判断A≥B*4是否成立，若成立，则判断该高位岩质滑坡为稳定的，否则判断该高位岩质滑坡为不稳定的。